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在我國北方地區(qū)，冬季持續(xù)時間長，年降雪量相對較大，積雪嚴(yán)重影響了交通運輸?shù)臅惩ㄅc安全，及時清除道路積雪，是冬季道路養(yǎng)護作業(yè)的一項重要內(nèi)容。文中設(shè)計的清雪鏟可對壓實的冰雪沖擊破碎并予以清除，一次性破冰除雪，高效節(jié)能，避免污染，無需人工二次除雪，當(dāng)遇到障礙物時，清雪鏟可自動越障，越障過程無需停車。為了提高振動清雪鏟的性能和產(chǎn)品質(zhì)量，有必要對清雪鏟的靜態(tài)和動態(tài)特性進行研究，使清除冰雪效果更佳，產(chǎn)品可靠性更高。文中對振動清雪鏟的靜動態(tài)強度有限元分析進行研究。
振動清雪鏟能夠清除浮雪和-20℃時厚度30mm的壓實冰雪，清雪效率(露出路面)95%以上。清雪鏟寬度3.2m；大端高度1.1m，小端高度0.84m；清雪鏟總質(zhì)量1.9t；振動清雪鏟的側(cè)傾角為20°，振動清雪鏟如圖1所示。
利用偏心輪機構(gòu)，馬達(dá)帶動振動鏟振動，振動鏟把壓實的冰雪振碎并同時清除。主鏟板與車輛前進方向有20°側(cè)傾角，主鏟板可以把振碎的冰雪拋揚至路邊。當(dāng)遇到障礙物時，越障機構(gòu)會自動越過障礙物。
鏟刃的振動是由液壓系統(tǒng)驅(qū)動振動馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，馬達(dá)通過皮帶帶動皮帶輪旋轉(zhuǎn)，從而使同軸上的偏心輪旋轉(zhuǎn)，最終鏟刃按照正弦規(guī)律實現(xiàn)往復(fù)運動(即鏟刃的振動)。而在有限元分析過程中，激振力的施加位置是保證計算準(zhǔn)確的關(guān)鍵。通過對清雪鏟的運動分析，激振力的施加位置如圖4所示。
文中利用ANSYS軟件對清雪鏟結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力強度分析，并采用了ANSYS中的3種單元shell63，beam188和solid185。shell63為板殼單元，既具有彎曲能力又具有膜力，可以承受平面內(nèi)載荷和法向載荷。beam188適應(yīng)于從細(xì)長到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響。solid185單元用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)，單元具有超彈性、應(yīng)力鋼化、蠕變、大變形和大應(yīng)變能力。
當(dāng)行車速度為3km/h時，在鏟刃上施加雪阻力，振動清雪鏟在靜載荷作用下有限元計算的應(yīng)力云圖如圖5。
從圖5可以看出，在3km/h時，清雪鏟在靜載荷作用下，主鏟板與軸承座支撐筋接觸處、振動臂和襯板接觸處、支撐梁與前懸掛接觸處應(yīng)力較大。其中最大應(yīng)力產(chǎn)生在主鏟主板與軸承座支撐筋接觸處，最大應(yīng)力值為2.02e8 Pa。
將諧響應(yīng)分析法應(yīng)用于清雪鏟結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力分析。首先用有限元方法對清雪鏟進行模型簡化并計算出清雪鏟的動頻，然后應(yīng)用模態(tài)疊加諧響應(yīng)分析計算出雪鏟位移的動態(tài)響應(yīng)，進而對位移動態(tài)響應(yīng)進行擴展分析求得雪鏟的動應(yīng)力。
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